COMUNICACIÓN DIGITAL Y SUS DISTINTOS TIPOS DE MODULACIÓN
Se entiende por comunicación al proceso por el cual se transfiere información desde un punto llamado fuente a otro punto llamado destino, en los sistemas de comunicación digital, los mensajes pertenecen a un conjunto finito y discreto de valores, siendo menos sensibles a los ruidos que se superpongan a ellos durante la transmisión.
Una de las diferencias entre un sistema de comunicación
analógico y un sistema de comunicación digital, la marca el tipo de receptor
utilizado en cada caso, dichos sistemas de comunicación obligan al receptor a
elegir entre un conjunto finito de símbolos. La medida de un sistema de
comunicación digital va ligada de decisiones erróneas que se pueden tomar, es
decir la probabilidad de error (Pe).
En los
sistemas de comunicación digital cada repetidor reconstruye la señal original,
retransmitiéndose libre de ruido. La evolución de este sistema viene marcada
por la evolución de las tecnologías en el campo de las telecomunicaciones, lo
cual permite una serie de ventajas respecto a los sistemas de comunicación
analógica
Entre las principales ventajas
de los sistemas de comunicación digitales podemos mencionar:
- Simplicidad
de diseño de los circuitos digitales y facilidad con que se pueden aplicar
las técnicas de circuitos integrados a los sistemas digitales.
- Posibilidad
de preservar la intimidad con el uso de una codificación criptográfica.
- Posibilidad
de mezclar y transmitir señales procedentes de diversos servicios.
- Posibilidad
de regeneración de la señal transmitida.
- Facilidad
de multiplicación
- Mejor
respuesta
- Mejor
respuesta ante relaciones señal-ruido bajas.
- Casi
todas las señales analógicas pueden convertirse en señales digitales.
- Debido
a la alta inmunidad al ruido, es prácticamente independiente la calidad de
la transmisión con la longitud de enlace.
- Posibilidad de hace coexistir, en la misma antena, portadoras de microondas para transmisión analógica (multiplex por división en la frecuencia) y para transmisión digital (PCM).
Entre sus principales
inconvenientes se encuentran:
- Los
sistemas de comunicación digital precisan de un canal de transmisión de
mayor ancho de banda que el analógico, para transmitir la misma
información.
- La
detección de señales digitales requiere un sistema de sincronización
cuando al receptor le llega un flujo de dígitos. Se deben tomar,
principalmente, dos decisiones.
- Instante óptimo de muestreo de cada
dígito a fin de reconocerlo correctamente.
- Identificar el comienzo de cada una de
las tramas a fin de separar y distribuir la información
- Necesidad
de conversión A/D y D/A en los casos de transmitir información analógica.
- Incompatibilidad
con la red analógica existente.
Modulación
por desplazamiento de amplitud
La
modulación por desplazamiento de amplitud, en inglés “Amplitude-shift keying”
(ASK), es una forma de modulación en la cual se representan los datos digitales
como variaciones de amplitud de la onda portadora en función de los datos a
enviar.
La
amplitud de una señal portadora analógica varía conforme a la corriente de bit
(modulando la señal), manteniendo la frecuencia y la fase constante. El nivel
de amplitud puede ser usado para representar los valores binarios 0 y 1.
Podemos pensar en la señal portadora como un interruptor ON/OFF. En la señal
modulada, el valor lógico 0 es representado por la ausencia de una portadora,
así que da ON/OFF la operación de pulsación y de ahí el nombre dado.
Como
la modulación AM, ASK es también lineal y sensible al ruido atmosférico,
distorsiones, condiciones de propagación en rutas diferentes en la PSTN, entre
otros factores. Esto requiere una amplitud de banda excesiva y es por lo tanto
un gasto de energía. Tanto los procesos de modulación ASK como los procesos de
demodulación son relativamente baratos. La técnica ASK también es usada
comúnmente para transmitir datos digitales sobre la fibra óptica. Para los
transmisores LED, el valor binario 1 es representado por un pulso corto de luz
y el valor binario 0 por la ausencia de luz. Los transmisores de láser
normalmente tienen una corriente "de tendencia" fija que hace que el
dispositivo emita un nivel bajo de luz. Este nivel bajo representa el valor 0,
mientras una onda luminosa de amplitud más alta representa el valor binario 1.
La
forma más simple y común de ASK funciona como un interruptor que apaga/enciende
la portadora, de tal forma que la presencia de portadora indica un 1 binario y
su ausencia un 0. Este tipo de modulación por desplazamiento on-off es el
utilizado para la transmisión de código Morse por radiofrecuencia, siendo
conocido el método como operación en onda continua.
Para ilustrar mejor el tema
del interruptor en el modulado ASK se puede ilustrar de la siguiente manera:
- Señal
coseno de amplitud = 0 por lo que en este estado se encontrará en estado 0
- Señal
coseno de amplitud = 1 por lo que en este estado se encontrará en estado 1
Otros procedimientos más sofisticados de codificación operan sobre la base de utilizar distintos niveles de amplitud, de forma que cada nivel representa un grupo de datos determinado.
La anotación que se usa es la
siguiente:
- ht(t)
es la señal portadora para la transmisión
- hc(t)
es el impulso de respuesta del canal
- n(t)
es el ruido introducido en el canal
- hr(t)
es el filtro en el receptor
- L
es el número de niveles usados para la transmisión
- Ts es el tiempo que transcurre entre la generación de dos símbolos
Los
símbolos diferentes son representados con tensiones diferentes. Si el máximo
valor permitido para la tensión es A, entonces todos los valores posibles están
en la gama [-A, A] y ellos se obtienen de la siguiente forma:
Si han
de ser enviados L símbolos diferentes, para su transmisión serán necesarios L
niveles de amplitud. Si la amplitud máxima de la portadora es A
(con una amplitud pico a pico de 2A), poniendo los símbolos a la
misma distancia unos de otros, esta distancia será:
Los
símbolos V[n] son generados al azar por la S de la fuente, entonces el
generador de impulso crea impulsos con un área de v[n]. Estos impulsos son
enviados al filtro ht para enviados por el canal. En otras palabras, para cada
símbolo una portadora diferente es enviada con la amplitud relativa.
Fuera del transmisor, la señal
s(t) puede expresarse de la siguiente forma:
En el receptor, después de la
filtración a través del filtro hr (t) la señal obtenida es:
Donde los valores nr(t) y g(f) los
obtenemos de la siguiente forma:
En
esta relación, el segundo término representa el símbolo para ser extraído. Los
demás son valores no deseados: el primer es el efecto de ruido, el segundo es
debido a la interferencia del intersímbolo.
Si los filtros son escogidos de modo que la señal g(t) satisfaga el criterio Nyquist (ISI=0), entonces no habrá ninguna interferencia de intersímbolo y el valor de la suma será cero, de forma que:
La transmisión sólo puede ser afectada por la señal del ruido.
Probabilidad
de error: Es posible demostrar que la posibilidad de que se produzca
un error (esto es, un símbolo es interpretado en recepción con valor distinto a
como se envió) es:
Donde erfc() es la función de
error complementario, Gt es la ganancia total del sistema y epsilon N es la desviación estándar del ruido. Esta
relación es válida cuando no hay interferencia entre símbolos.
Modulación
por desplazamiento de frecuencia
La
modulación por desplazamiento de frecuencia o FSK (“Frequency Shift Keying”)
es una técnica de modulación para la transmisión digital de información
utilizando dos o más frecuencias diferentes para cada símbolo.1 La señal
moduladora solo varía entre dos valores de tensión discretos formando un tren
de pulsos donde uno representa un "1" o "marca" y el otro
representa el "0" o "espacio".
En la
modulación digital, a la relación de cambio a la entrada del modulador se le
llama bit-rate y tiene como unidad el bit por segundo (bps). A la relación de cambio a la salida del
modulador se le llama baud-rate. En esencia el baud-rate es la velocidad o
cantidad de símbolos por segundo.
En FSK, el bit rate = baud rate. Así, por ejemplo, un 0 binario se puede representar con una frecuencia f1, y el 1 binario se representa con una frecuencia distinta f2. El módem usa un VCO, que es un oscilador cuya frecuencia varía en función del voltaje aplicado.
FSK de la banda reducida: Es una variante de FSK que se obtiene cuando la variación de frecuencia de la señal modulada da como resultado una diferencia de fase menor que π/2. El índice de modulación es pequeño. Su espectro de frecuencias es similar al de ASK. Se diferencian en que la amplitud de las armónicas se ve afectada por la frecuencia, superponiéndose a la FSK. Existe una coincidencia entre el ancho de banda necesario para ASK y para FSK de banda reducida.
Transmisión
de desplazamiento mínimo del FSK: Recibe el nombre de MSK y su
manera de transmitir es mediante el desplazamiento de la frecuencia de fase
continua, CPFSK.
Es un
FSK binario, salvo por la sincronización de las frecuencias de espacio y marca,
a razón de bit de entrada binario, que se seleccionan de tal forma que difieren
de la frecuencia central por un múltiplo impar de la mitad de la razón de bit:
n(fb/2) Siendo n un número entero
impar.
De
esta manera, en la señal de salida analógica, aseguramos que exista una
transición de fase fluida al variar de una frecuencia de espacio a una de
marca.
Modulación
por desplazamiento de fase
La
modulación por desplazamiento de fase o PSK (“Phase Shift Keying”) es una forma
de modulación angular que consiste en hacer variar la fase de la portadora
entre un número determinado de valores discretos. La diferencia con la
modulación de fase convencional (PM) es que mientras en esta la variación de
fase es continua, en función de la señal moduladora, en la PSK la señal
moduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados limitado
La
modulación PSK se caracteriza porque la fase de la señal portadora representa
cada símbolo de información de la señal moduladora, con un valor angular que el
modulador elige entre un conjunto discreto de "n" valores posibles.
Un
modulador PSK representa directamente la información mediante el valor absoluto
de la fase de la señal modulada, valor que el demodulador obtiene al comparar
la fase de esta con la fase de la portadora sin modular.
La señal modulada resultante,
responde a la expresión:
Donde:
Ø Ap = Amplitud
Ø f = Frecuencia
Ø t = Tiempo
Ø 0 = Representa cada uno de los valores posibles
de la fase, tantos como estados tenga la señal codificada en banda base
multinivel.
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